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5G世代的半导体技术发展

  • 陈婉洁

虽然全球产业受到疫情的负面影响而呈现衰退,但是在移动通信领域方面,5G所带来的全新产业型态却让半导体产业有了稳定,甚至逆势成长的动力。

由于5G技术本身在带宽上与延迟有极大的改善,这也让过去4G时代无法负担的许多应用成为可能,比如说,我们可以在手机上看更高画质的影片,甚至和家中实时串流进行游戏;同时,汽车也可以透过更快速的网络连结共享交通信息,未来技术成熟时,由远程直接遥控汽车,或者命令汽车自行导航驾驶到车主指定的目的地也成为可能。

由于交通是智慧城市最关键的组成元素之一,透过5G,可以更快速的收集以及反应交通状况,管理者也能在最快的时间发现问题,并解决问题。而车主们也能更快的与城市交通系统进行沟通,取得更高效率的路线。

未来5G网络将是带动智慧城市建立的关键(来源:Ribera Solutions)

而在产业方面,5G推动了许多IoT应用的智能化,具备高效率管理能力的无人工厂也能成真,而云端与终端的连结也更迅速,换言之,手机或其它家用的智能终端上也能呈现更多元、复杂的智能功能,更好地解决人类的问题。

而在偏远乡镇,也能透过快速的5G网络,实现远程医疗能力,远程看诊,甚至透过机器人远程开刀,让偏远地区同样能享受到高质量的医疗。

要说5G创造了什么,那就是无限的可能性。但要达成这些应用,还是要回过头来看最基础的硬件架构,也就是芯片的设计。

5G手机芯片发展趋势

各国5G先后开台,市场也看好整体5G手机的需求,有分析机构预估,2020年光是5G手机出货就有可能超过2亿支,而2021年更可能突破5亿支,这就带动了极为庞大的半导体制造需求。首先,在主要芯片方面,高通、联发科、苹果都先后进入5G世代,由于5G带来更大的带宽以及更好的数码内容画面呈现,因此需要更强大的计算处理能力,而随著终端AI应用的发展,手机芯片本身的运算能力也不断强化。

除了架构的推进,以及增加更多关于AI与多媒体处理能力外,制程的演进也为这些塞了越来越多晶体管的芯片带来更低的温度、功耗,以及更高的效能表现。台积电2020年5nm制程量产,毫无意外的,苹果与高通都成为第一波导入者,而联发科也将有机会在2021年引入5nm制程,推出真正的高阶产品。虽然华为因受到美国制裁,未来可能彻底退出手机市场,但是对手机业者而言,少了华为,其它业者仍将迅速递补,原本专注于华为的业者可以更积极进行多元布局,而非将大部分业绩赌在一家厂商身上。

手机半导体演进主要还是在运算、储存以及通讯三方面(资料来源:TechInsight)

除了运算功能的增加以外,5G手机芯片也会从过去的分离式,在2020年走向一体式设计,联发科算是首先在其中高低阶全面采用一体式设计,集成5G机频之后,能够为手机机构带来更灵活的配置空间,也能相对减低功耗。华为虽然被制裁,未来芯片将断炊,但目前已经生产的5G芯片也已经走入一体式设计。至于高通,目前最高阶的865芯片还是采用分离式设计,但年底即将量产的875预期会改为一体式,高通中低阶5G芯片已经采用一体式设计,但支持的频段会比较少。

而值得注意的是,苹果一直以来都采用分离式设计,年底即将上市的新款iPhone也没有改变,差别在于未来搭配的5G基频从过去的英特尔方案改为高通方案。但苹果已经收购英特尔的基频部门,未来几年内可能就会转向全部自有设计,并且采用一体化方式,借以提供更好的效能与更低的功耗。

而除了核心芯片以外,包含DRAM以及NAND Flash的需求也都因为内容质量的成长,导致储存的需求也跟的大幅增加,不论是影片、游戏,或者是相机拍照能力的演进而能够储存更高画质的照片或者是自行拍摄的影片,都为手机的储存能力带来庞大的压力。

也因为这些额外的储存需求,从2020年开始,我们可以看到智能型手机上128GB的NAND Flash已经成为入门规格,而DRAM也从2019年主流的4GB跃升至2020年的6GB至8GB,也因此,存储器相关业者也都看好从手机产品增加的营收能够抵销疫情带来的负面影响。

驱动高速运算与智慧城市发展的相关半导体需求

由于5G带来的网络高速化趋势,同时也带动各种云端与终端的运算性能需求,上从服务器,下到监控或IoT设备中的芯片,都有程度不等的变革。

在云端上,AI性能方面格外要求,这使得以GPU为运算主体的云端AI服务器建置需求大增,NVIDIA也因此股价大涨,另外,为了能够协助资料中心不同机柜服务器之间的高速通讯,相关的通讯芯片设计也不断演进。

处理器方面,英特尔也在其处理器核心中增加了更多针对AI运算最佳化的单元,协助增加效能表现,其竞争对手AMD虽然在服务器领域仍占少数,但其积极推动制程与架构演进的态度,亦成功争取到了不少的客户,市占也在短短两年内从不到1%成长到约10%。

英特尔在对手的追赶下,积极在芯片增加更多运算类型的支持(来源:英特尔)

而理所当然的,伴随这些高速运算架构的发展,其相关储存需求也跟著水涨船高,根据统计,由于5G基础建设带来的云端运算需求,加上疫情带动各种云端服务以及远距通讯服务兴起,使得在疫情之下,整体服务器市场仍不断成长,并连带推动相关的网络芯片、通讯芯片以及储存、存储器等设备需求的增加。相关的半导体产值也是欣欣向荣。

另外,在自动化工业控制和自动驾驶这些对延迟有非常高要求的应用也因为5G的布建而加速,网络快了,这些终端应用的核心芯片也需要相应的变革,比如说增加AI运算能力,更快速/省电的网络连接能力,同时也要在云端与终端再增加一层边缘运算能力,最佳化整体网络的效率。



议题精选-2020国际半导体展